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第一章 引论1

1.1前言1

1.2时间计量基准与原子钟2

世界时2

历书时3

原子时3

协调世界时5

1.3原子钟发展历史回顾6

参考文献9

第二章 原子频标的物理基础11

2.1能量的量子化和量子跃迁11

2.2原子的精细能级12

2.3原子的超精细能级12

2.4原子的超精细磁能级13

2.5量子系统及其与电磁场的相互作用14

量子系统14

电磁场与量子系统的相互作用15

参考文献16

第三章 获得窄谱线的技术与方法17

3.1微波频段所常采用的技术17

分离振荡场技术17

缓冲气体技术18

原子储存泡技术19

离子阱技术19

激光减速与囚禁技术20

原子喷泉技术21

CPT囚禁技术21

3.2光学频段所常采用的技术22

Ramsey-Borde分离激光场技术22

碱土金属原子的超低温冷却23

单个储存离子的激光边带冷却24

光晶格25

参考文献26

第四章 原子频标的基本工作原理28

4.1原子共振器的作用原理与构成28

态选择-原子态制备29

原子在非均匀磁场中分类29

光抽运技术30

微波-光抽运技术31

原子的探测32

信号的检测32

原子检测32

光检测33

线性吸收-透射光检测33

荧光检测34

双能级荧光检测34

微波检测36

4.2标准信号的产生及控制-原子频标的构成36

原子振荡器型37

原子谐振器型38

光频标38

参考文献39

第五章 传统原子频标40

5.1磁选态型铯原子频率标准40

铯原子（Cs 133）基态（6S1／2）的超精细结构40

铯束管谐振器的结构和工作原理41

频率控制43

商品小铯钟43

实验室型铯原子基准钟44

商品铯原子频标的主要技术指标45

实验室型铯频标的主要性能指标46

5.2激光抽运选态型铯原子频标46

物理结构和工作原理46

可能采用的光跃迁47

激光抽运铯钟实际采用的技术方案48

单频方案48

双频方案48

斜入射光检测方案49

5.3谱灯光抽运型铷原子频率标准51

铷（Rb87）原子的能级结构51

铷气泡频标的结构与工作原理52

频率控制54

铷原子频标的主要技术指标55

5.4激光抽运铷原子频标55

5.5氢原子频率标准57

主动型氢原子频标57

氢原子基态的超精细结构能级57

氢原子振荡器的结构与工作原理58

频率控制60

氢振荡器的频率调谐60

主动型氢原子频标的主要技术指标62

氢原子钟小型化63

谐振腔的小型化63

电极负载腔63

介质负载腔64

隔膜腔64

被动型氢原子钟64

TE111主动型小氢原子钟66

5.6频率标准的选用67

频标特点与性能比较67

常用频率源的选择68

参考文献69

第六章 新型原子频标71

6.1离子阱微波原子频标71

离子贮存技术71

射频阱的结构71

潘宁阱的结构71

离子阱微波频标72

6.2原子喷泉型频标74

原子喷泉的技术基础74

激光冷却-光学粘团74

激光囚禁-磁光阱75

铯原子喷泉频标77

铯原子喷泉的结构和工作原理77

频率控制78

铷原子喷泉频标80

6.3 CPT原子钟81

被动型相干布居数囚禁原子钟81

主动型相干布居数囚禁原子钟82

6.4光频标和光钟83

光频标需解决的关键技术83

离子光频标和光钟的工作原理84

199 Hg＋离子光频标84

飞秒激光梳和光钟86

钙冷原子光钟87

钙热原子束光频标89

光晶格锶原子钟91

参考文献93

第七章 星载和空间原子钟95

7.1星载原子钟的新发展95

激光光抽运Cs原子钟95

小型冷原子钟HORACE97

小型微波汞（Hg）离子钟99

CPT-maser100

脉冲激光抽运铷原子频标102

CPT冷原子钟103

7.2空间微重力原子钟计划104

ACES（Atomic Clock Ensemble in Space）计划105

SUMO（Superconducting Microwave Oscillator Experiment）计划107

PARCS（Primary Atomic Reference Clock in Space）计划107

RACE（Rubidium Atomic Clock Experiment）计划107

空间微重力钟的特点与比较108

参考文献109

第八章 时频测量技术与方法112

8.1频率标准的主要技术指标112

频率准确度112

频率稳定度112

频率复现性114

开机特性114

8.2本地时频测量114

频率稳定度测试设备114

工作原理114

功能与显示界面115

10ms～1000s的时域频率稳定度测量116

日频率稳定度、日频率漂移及频率准确度117

8.3地面远程高精度时频测量118

卫星双向法119

卫星共视法121

载波相位法123

最高精度的时间传递技术的时间传递能力的验证123

8.4星-地时频比对124

微波T／F传递系统124

激光时间传递系统125

8.5卫星定时与校频126

GPS（GLONASS）定时方法127

单站直接法127

单站间接法127

通过法127

单星共视法128

多星共视法128

多星跟踪法128

全视法128

GPS校频129

“北斗一号”定时与校频129

单向定时法129

双向定时法130

“北斗一号”共视时间比对原理130

8.6高精度时频传递方法比较131

参考文献131

第九章 时频高端应用举例133

9.1建立国家原子时守时系统133

9.2卫星导航定位系统134

概述134

被动式卫星定位与定时的基本原理134

“北斗一号”定位和定时的基本原理简述136

定位原理136

定时原理136

卫星导航系统中的时间系统137

卫星导航系统中的时间尺度137

GPS时137

GLONASS时间系统和系统时间137

“北斗一号”时间系统和系统时间139

9.3应用原子钟的空间系统139

早期卫星导航定位系统与星载原子钟140

GPS全球定位系统140

GLONASS全球导航系统141

GALILEO导航卫星系统142

BEIDOU卫星定位系统142

QUASI-ZENITH卫星系统142

NAVEX143

MILSTAR143

GRAVITY PROBE-A143

GASSINI-HUYGENS MISSION143

9.4国外空间钟计划与基础物理测试143

引言143

微重力环境下的基础物理学145

微重力环境使原子钟受益145

微重力环境使基础物理测试受益145

用空间钟进行基础物理测试的基本考虑145

利用微重力钟的基础物理测试146

空间微重力钟计划实验系统简述146

重力红移的测量147

寻找精细结构常数可能的时间变化147

光的各向同性148

LLI和LPI原理检验149

狭义和广义相对论的其他一些测量149

空间微重力钟的应用前景150

结束语151

参考文献151